Ein Drucksensor, der durch einfaches Auflöten einer Membran zusammen mit der Elektronik auf einer Leiterplatte realisiert werden kann

Wir fertigen Drucksensoren für verschiedene Anwendungen schon bei kleinen Stückzahlen kosteneffizient. Durch die Verwendung von Edelstahlmembranen können wir auch medienbeständige Drucksensoren realisieren. Die Druckmessung erfolgt kapazitiv und kann mit einer Vielzahl kommerziell verfügbarer Elektroniklösungen ausgelesen werden. Je nach Anforderung kommen unterschiedliche Gehäuselösungen zum Einsatz - von einfachen Gehäusen aus Aluminium oder Edelstahl mit Dichtungen bis hin zu Gehäusen mit Druckanschlüssen aus beständigen Duromeren.

Drucksensoren überwachen Leckagen an Druckluftanlagen und kommen in der Chemie- und Nahrungsmittelindustrie oder als Füllstandsensor im Anwendungsgebiet Weiße Ware zum Einsatz. Unser Drucksensorkonzept basiert auf einer Leiterplatte, auf der eine  Drucksensormembran aufgelötet wurde. Da bei der Aufbau- und Verbindungstechnik keine Spezialprozesse notwendig sind, sondern der Sensoraufbau mit SMT-Bestückungstechniken auskommt, ist es möglich, Sensoren für kundenspezifische Anwendungen in kleinen Stückzahlen zu geringen Kosten herzustellen. Aber auch im preissensitiven Massenmarkt – in Anwendungen, bei denen die Baugröße eine untergeordnete Rolle spielt – kann der Sensor seine Vorteile gegenüber MEMS-Drucksensoren ausspielen.

Auf der Leiterplatte befindet sich unterhalb der Drucksensormembran eine erste Elektrode. Die aufgelötete Membran selbst bildet die zweite Elektrode eines druckabhängigen Kondensators. Bei Druckbeaufschlagung wird die Membran parallel zur Leiterplattenoberfläche ausgelenkt und somit der Abstand beider Elektroden zueinander minimiert. Damit steigt die Kapazität des Kondensators, was mittels einer Auswerteelektronik gemessen werden kann. Dies ist im einfachsten Fall ein Capacitance-to-Digital-Converter (CDC), der direkt digitale Werte liefert oder ein moderner Mikrocontroller, der über die Funktion Kapazitäten misst.

Die Auslegung der Membran an den jeweiligen Druckbereich erfolgt durch FEM-gestützte Simulationen (FEM: Finite-Elemente-Methode. Die Membranen können je nach Einsatzgebiet aus unterschiedlichen Werkstoffen wie Kupfer-Beryllium, Nickel-Beryllium oder Edelstahl bestehen und nötigenfalls auch beschichtet werden. Durch die Verwendung von Edelstahlmembranen lassen sich somit medienbeständige Drucksensoren für aggressive Medien realisieren.

Die beispielhaft gezeigten, doppelseitig bestückten Aufbauten des Drucksensors in Leiterplatten- und MID-Technologie messen 13 mm im Durchmesser und tragen eine Membran mit einem Durchmesser von 9,2 mm. Die Kapazität der Sensorzelle wird im einfachsten Fall gegen einen keramischen Festkondensator gemessen. Auf diese Weise konnte bei ersten Aufbauten eine Wiederholbarkeit von 0,5 Prozent Fullscale in einem Messbereich von 0 bis 10 bar erreicht werden.
Zur Kompensation von Umwelteinflüssen wie Temperatur oder Feuchte kann zum Beispiel eine zweite, nicht mit Druck beaufschlagte Membran zum Einsatz kommen.

Ebenso kann mit einer zweiten Membran, die etwa auf der Unterseite der Leiterplatte und gegenüber der ersten Membran montiert wird, ein Differenzdrucksensor aufgebaut werden.

Drucksensoren